基于PLC的水闸监控系统的设计及仿真.doc

第一章 绪论1.1 研究闸门监控系统的意义及目的随着国民经济及科学技术的进一步发展，科学管理水资源越来越显示其重要性和必要性，尤其是在我国水资源并不充裕的情况下，水资源必然成为国民经济发展及人民生活水平提高的制约因素。故要从工程水利向数字水利转变，从传统水利向现代水利转变。进一步发挥水利工程效益，提高供水设备的准确性和可靠性，已成为当前的迫切任务。【1】因而对水库闸门监控系统的研究，有利于我国水资源的合理利用，对解决我国将来的水资源短缺问题将具有重要的战略意义。首先，利用闸门监控系统，可以实时跟踪、监控闸门开度、水位数据，为合理调度水资源提供第一手数据资料。根据闸门上、下游水位以及闸门的当前开度，再根据水资源调度的具体需求，从而确定出当前闸门的具体控制方案。上游水位高，而此时上游的用水量也呈现增长趋势，那么此时不要急于提升闸门，而要等到上游用水量需求趋减，而下游需求呈现增加趋势时，则可以考虑提升闸门，当关闭闸门时，情况与上述相反。其次，闸门监控系统在泄洪抗灾、水利发电等方面具有不可替代的作用。在江河、湖泊发生洪水时，水位数据变化大，变化很迅速，此时靠人工的手段很难跟踪这些数据变化的。而且此时也要求快速准确的对闸门实现精确控制，这也是手工操作所做不到的。在水利发电中，为了保证水利发电的可靠性，提高发电的质量，更离不开对闸门的实时监控。最后，采用闸门监控系统可以为我们节省大量的人力、物力、财力，真正实现了“无人值守，少人值守”。过去水资源调度中，手工操作既费时，又费力，而且达不到良好的控制效果，使用闸门监控系统后，我们可以在远离现场的控制室里，对闸门、水位的各项数居进行实时记录，以及实现对闸门的实时，远程控制。1.2 闸门监控系统国内外研究概况 在水工建筑物的固定式和移动式机械中占有重要地位的闸门启闭机械，早期以绳毅式、链条式、多节拉杆式为主，但由于其操作的不是自由悬挂的重物，而是沿导向门槽作上下移动或者是绕着支绞作旋转运动的闸门。可靠性，安全系数低，很难精确的控制。随着经济和液压技术的不断发展，传动稳定的液压启闭机逐步取代了那些比较落后的绳毅式、链条式、多节拉杆式的启闭机。作为一种比较完善而又经济的先进的传动装置，其动力机构为油缸，由于油缸能够产生很大的下压力，所以，当采用液压启闭机操作闸门下降时，闸门就无需加重，因此也就可以减少驱动装置的额定启升容量。 1.2.1 传统液压启闭机控制系统主要存在着以下缺点和局限性2首先，在硬件上，传统的液压启闭机控制系统通常是采用继电接触器线路来控制闸门的运行。这种系统的最大缺点就是线路复杂，维护工作繁重，操作麻烦，可靠性低，故障率高。另外，当控制系统需要改进时，就必须改变整个控制线路，实现起来十分麻烦。其次，在控制规模上，传统的液压启闭机控制系统通常只能对水电站的单个闸门的运行进行控制，而不能对整个水电站进行自动控制。 最后在远程通讯上，传统的液压启闭机控制系统的通讯功能基本没有，只能传送执行闸门的开、关、停等几个开关量信号，而根本不能传送整个水电站所有电气自动化设备的状态信号，更不说远程控制这些电气自动化设备，和根据电机组的生产需要自动调整闸门开度。1.2.2在液压启闭机控制系统中采用自动控制及监控的重要性 鉴于液压启闭机控制系统控制的对象和工作的实际环境，在液压启闭机控制系统中采用自动控制及监控是十分必要的:首先，液压启闭机的控制系统不仅关系闸门的正常运行，而且还维系到当地的生命、财产安全。而早期的继电回路控制模式的液压启闭机控制系统采用人工手动控制，自动化程度低，操作一台闸门要多人协同完成，因而操作耗时较长，生产效率极其低下，而且一旦遭遇多年罕见的洪水，可能延误泄洪，对大坝安全是一个潜在的隐患，因而提高液压启闭机控制系统的自动化程度是极其重要的任务。 其次，通过在液压启闭机控制系统采用上位机监控，使得操作人员可通过上位机极其容易的控制各个闸门的开、闭及开度的大小，而且通过上位机中与实际现场同步的实时动画监控，操作人员无需到现场观察即可准确掌握到各个闸门所处的状态和其它设备的运行情况，使得水电站得以推行无人值班、少人值守的生产管理模式，提高了生产效率。1.2.3 基于PLC的闸门远程监控系统提出 一种典型的水闸自动化监控系统，其现地控制单元LCU(Local Control Unit)有的采用8位或16位单片机，致命的缺点是不便于扩充;而可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC因其具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能在闸门监控系统中得到了广泛的应用。PLC更符合工业现场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。由于传统的液压启闭机控制系统存在控制线路复杂，维护工作繁重，可靠性低，不能对整个水电站进行自动控制，远程通讯能力欠缺等缺点和局限性，所以越来越不能满足水电站的生产发展。基于PLC和液压启闭机控制系统的闸门监控系统，由于其控制方式的优越性，使它非常有效地解决了传统液压启闭机控制系统存在的缺点和局限性: 首先，在硬件上，由于基于PLC和液压启闭机控制系统,采用可编程逻辑控制器与上位机组成的控制网络作为主要控制设备，所以控制线路相对传统液压启闭机控制系统要简单的多，而且可靠性高，只需要修改控制程序就可达到改善控制的要求。 其次，基于PLC和液压启闭机控制系统，采用的是分层分步式控制结构，实现了对闸门的远程监控和多级管理。1.3 论文的主要研究内容本论文所设计的基于PLC的闸门控制系统，摒弃水电站闸门的传统继电器控制和卷扬启闭机正反转控制闸门升降的模式；采用PLC和液压控制的模式对闸门进行控制。将控制系统分为集中控制单元层(上位机)、远程控制层(中心站)和现地控制层(现地设备)三级。通过该系统，操作员可在中控室及时了解现场闸门的各种运行状态，分析故障原因，并及时根据现场情况做出相应的调整和控制。现场控制设备PLC将收集到的各种信息通过总线源源不断的送到中控室上位机;同时上位机也可把操作人员发出的命令通过总线准确无误的传送给现场控制设备，从而实现根据需水要求及时调整闸开度的功能。在PLC网络出现不可修复的故障情况下，操作人员还可启用设置在中控室内的备用系统，对闸群进行紧急手动远程控制。在需要现场控制闸门启闭时，操作人员也可在相应闸门旁的现地控制柜上进行操作，同样可以通过控制柜上观测到闸门的实时开度和荷重。其研究的主要内容如下:（1）讨论了闸门控制系统中相关数据的采集；分析了各个采集设备的工作原理，通过比较选定了本控制系统中所选用的设备类型。（2） 对于闸门升降控制，本论文摒弃传统控制中采用的电机正反转来提升和下降闸门的模式；采用具有体积小，起重量大、负载刚性大、自动化程度高、安全可靠性好等特点的液压启闭机控制闸门升降，详细的介绍了液压控制系统工作原理，液压系统中各个回路的功能以及系统中器件的作用等，实现了闸门的可靠升降控制。（3）讨论了闸门监控系统的实现；对闸门现地控制层和集中控制层的功能进行了分析，给出了其硬件选型；完成了闸门控制程序设计的流程图，给出了硬件电气线路和软件程序的设计。并且对监控组态软件进行了介绍。 第二章 基于PLC的闸门监控系统的总体设计2.1 闸门监控系统的结构分析和确定 2.1.1 分布式监控系统的介绍在我国的自动化控制领域中自动化控制系统主要分为分布式监控系统和集中式监控系统。分布式监控系统以控制对象分散为主要特征。以控制对象为单元设置多套相应的装置，构成现地控制单元，完成控制对象的数据采集和处理、电机机组等主要设备的控制和调节以及装置的数据通信等。每孔闸门或一定数量的闸门配置一个现地控制单元(Local ControlUnit，简称LCU)，每个LCU可构成一个独立的控制回路。其中某一个现场控制单元发生故障不会影响其他现场控制单元的正常工作。 2.1.2分布式系统在闸门监控系统中的运用本控制系统采用分层分布式结构，一个较标准的PLC闸群控制系统的总体结构图，其可分为三层式结构:现地控制层、集中控制层和远程监控层。现地控制层的每孔闸门配置一个现地PLC，收集闸位、水位和各种现场开关量、模拟量信息并上传至集控层PLC，同时接受集控PLC的命令并通过接口执行。集控层PLC主要目的是作为上位机和现地PLC交互信息的硬件中转站，有着速度快、功能强大和稳定性高等特点。集控层上位机的人机交互系统一般由相应的组态软件构成，在监控闸群系统的同时，肩负着与远程监控层交互信息的功能，因此远地监控层也可通过公众网络或专用网络实时监测闸群控制的状况。具体来说，该控制方案有着以下显著优点：(1)现地PLC功能强大:由于是工业级产品，现地层PLC均为模块化结构，设计、安装、维护非常方便;且功能强大、稳定性高、可扩展性强;设备接口种类的选择面也很广。(2)集控层功能增强:集控层在上位机和现地PLC之间加设了高性能的主控PLC，作为硬件的信息中转站，使得集控层工作更稳定;同时，由于分担了上位机的大部分工作，因此上位机可增加上传通讯的功能，使得建立更高级的远地监控层成为现实。(3)增加了远地监控层:在闸群控制的发展方向上，江河流域控制以及跨流域控制是其中重要的一项内容。因此，远地监控层的建立成为必然趋势，而PLC系统的强大功能为其建立打下了坚实的基础。2.2 闸门监控系统的主从站PLC选择 2.2.1 闸门监控系统从站PLC的选择闸控系统从站PLC主要用于接受主站命令和上传现场信息，因此较强的实时通讯能力是必备的。由于现场的闸位信息、荷重信息和水位信息需要在本地计算和显示，所以从站PLC不能只具备输入/输出功能，还必须具有一定的计算能力，即现场智能设备必须具备CPU单元。另外，由于闸控现场需要一些必要的开关量输入/输出的信号交互，因此如果从站PLC能集成一定数量的Dl/DO点。2.2.2 闸控系统的主站PLC选择闸控系统的主站在整个控制系统中起到了承上启下的关键中枢作用。对于下级的现地层设备来说，它负责实时收集全部闸门现场设备的状态信息，并下达相应的操作命令;对于上级的上位机操作系统来说，它负责处理各种现场上传的状态信息并将相应的信息上传给上位机用于显示和判断，同时也接受上位机下达的命令。因此，在主站PLC选择上，选择S7-400 系列PLC，尤其是在通讯能力和处理速度上2.3 闸门控系统的通讯方式本文给出的闸控系统在现场控制层面，采用了PorfiBus一DP工业现场总线作为集控层与现地层之间的通讯方式。从站PLC通过ProfiBus一DP总线与集中控制层的主站PLC采用主从方式连网通讯，现场各种外围设备的状态信息均通过从站上传到主站中，同时主站也通过分布在相应闸门旁的从站向现场控制和保护设备发送命令。在集中控制层面，采用的工业以太网的通讯方式。主站PLC通过以太网口直接与上位机连接，采用以太网通讯的方式与上位机交互信息。上位机采用WinCC软件对现地控制层和集中控制层进行组态和建立人机交互界面.ProfiBus-DP经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备己分散的I/0之间通信设计，使用ProfiBus-DP模块可取代价格昂贵的24V或020mA并行信号线。ProfiBus-DP用于分布式控制系统的高速数据传.输。 PROFIBUS-DP的基本功能有:DP主站和DP从站间的循环用户数据传送;各DP从站的动态激活和解除激活;检查DP从站的组态;强大的诊断功能，三级诊断信息(本站诊断、模块诊断、通道诊断);输入或输出的同步;通过总线给DP从站分配地址:保证每个DP从站最大为246字节的输入和输出数据:通过总线给DP主站进行配置。34与传统的控制方法相比，Profibus 闸门监控系统有以下突出优点:用一条电缆实现现场设备和现场控制了系统的匀_连以及现场控制了系统和集中控制级系统及中央控制级系统的匀_连，使用数字化通信代替了420 mA或24V DC信号，增强了现场级信息集成量.系统的开放性、可操作性、匀_换性大大增强.不同厂家的产品和专长技术只要使用同一总线标准，即可进行系统集成.系统的可靠性、可维护性好.采用Profibus连接方式替代一对一的I/ O连接，减少了由接线点造成的不可靠因素，同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，增强了系统的可维修性.降低了系统及工程造价对于大范围、大规模I/ O的分布式系统，Profibus节省了大量的线缆,I/O模块及电缆敷设工程费用，从而减少了工程成本.综上所述，Profibus现场总线技术对于闸门监控系统提供了可行的解决方案，代表着控制技术数字化、智能化、网络化的发展方向，具有广阔的应用前景.第三章 闸门双缸液压启闭控制在水利工程中，闸门启闭作业具有起重大(闸门自重达几百吨)，跨距长(闸门的跨度可达十几米以上)，外界环境恶劣，闸门启闭时受水的冲击力和风速影响使提升系统负载变化大等特点，而液压式启闭机由于油缸内的油液为柔性工作介质，能达到减轻闸门局部开启时，高速水流对闸门产生的振动，具有实现闸门的平稳运行的作用，所以在国内外的水利工程建设中，闸门启闭机一般采用双作用液压双缸工作来实现闸门的提升，下降控制。同电机正反转控制系统相比，液压系统具有以下突出的优点：5（1）体积小，重量轻，启闭力大，与相同起重量的其它设备相比，液压提升设备的体积仅为它们的1/4一1/10，而提升重量却能达到其自重的40倍甚至更多;（2）液压系统的负载刚性大，具有较好的抗负载特性，定位精度受负载变化的影响小;（3）安全可靠性好。液压系统可以安全、可靠并快速地实现频繁的带载起动和制动。（4）液压油缸多为双作用式，即可以提升闸门，也可以向闸门施加闭门力；相比之下，卷扬启闭机则无法形成闭门力，必须加铸铁或混凝土配置。 3.1 液压系统的介绍 3.1.1 液压系统的基本组成元件一般液压系统都有以下几个基本部分组成：把机械能转化成液体压力能的动力元件液压泵；把液体压力能转化成机械能的执行元件，一般常见的形式是液压缸和液压马达；对液体的压力、流量和流动方向进行控制和调节的控制元件。还有净化油液的过滤器、储存压力能的蓄能器、油管、油箱等辅助元件；现结合本控制系统具体介绍液压系统；从整体结构组成方面，液压启闭系统包括 ：油泵电动机组，液压控制回路、液压元器件及辅助设备等。此外，还设有功能齐全、动作可靠的安全运行保护装置，包括过载、超压、欠压和短路保护的断路器、油箱内液位液温报警，滤油器堵塞报警等。63.1.1.1 油泵电动机组每套液压系统设有两套油泵电动机组，一套油泵电动机组工作，一套备用；平时备用的油泵电机不工作，当主油泵电机出现故障时，备用油泵电机才投入运行。3.1.1.2液压控制回路液压控制系统中包括许多的液压控制阀（简称液压阀），液压阀是液压系统中的控制元件，用来控制液压系统中流体的压力、流量及流动方向。不论何种液压系统，都是由一些完成一定功能的基本液压回路组成，而液压回路主要是由各种液压控制阀按一定需要组合而成。液压控制阀按其作用可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类，相应地可由这些阀组成三种基本回路：方向控制回路、压力控制回路和调速回路。在此着重介绍方向控制回路和压力控制回路。（1）方向控制回路 任何一个液压系统都含有一个或多个方向控制回路。常用的方向控制回路有启停回路、换向回路和锁紧回路。方向控制回路主要的控制阀是换向阀； 换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换不同管路间的通断关系，实现接通、切断，或改变油液流动的方向从而实现液压缸运动方向的变化，也即实现了闸门的提升和下降操作。本系统中方向控制回路有换向回路和液压锁紧回路。(a) 换向回路换向回路采用三位四通电磁换向阀如下图所示；三位四通电磁换向阀的阀芯有三个工作位置，其中中间一个方框表示其原始位置（即阀芯未受到操纵力时所处的位置），左右方框表示两个换向位，其左位和右位各油口的连通方式均为直通或交叉相通；阀体上有四个各不相通且可与系统中不同油管相连的油道接口（P为进油口，T为回油口，A，B为阀与液压缸连接的油口），不同油道之间只能通过阀芯移位时阀口的开关来沟通。电磁换向阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置。三位四通电磁换向阀阀体两端各装有一个电磁铁，当两端电磁铁都断电时，阀芯处于中间位置。此时P、A、B、T各油腔互不相通；当左端电磁铁通电时，该电磁铁吸合，并推动阀芯向右移动，使P和B连通，A和T连通，形成图3-1右方框所示的交叉油路。当其断电后，右端复位弹簧的作用力可使阀芯回到中间位置，恢复原来四个油腔相互封闭的状态；当右端电磁铁通电时其衔铁将通过推杆推动阀芯向左移动，P和A相通、B和T相通，形成图3-1左方框所示平行油路。电磁铁断电，阀芯则在左弹簧的作用下回到中间位置。 图3-1三位四通电磁换向阀图形符号(b) 液压锁紧回路锁紧回路可使液压缸活塞在任一位置停止，并可防止其停止后窜动。锁紧回路采用液控单向阀，其锁紧回路如图3-3所示。液控单向阀是允许液流向一个方向流动，反向开启则必须通过液压控制来实现的单向阀，液控单向阀提供了一个控制油口，当控制口 K处无压力油通入时，它的工作和普通单向阀一样，压力油只能从进油口A流向出油口B，不能反向流动。当控制口K处有压力油通入时，在液压力作用下活塞向上移动，推动顶杆顶开阀芯，使油口A和B接通，油液就可以从B口流向A口；如图所示这两个液控单向阀组成“液压锁”，当一个液压单向阀油口A到B没有压力油流通时，另一个液压单向阀的控制油口就没有足够的压力油顶开阀芯，则它的压力油就不会从B口流到A口，即液压缸中的压力油就是恒定的，确保系统压力不变。即液压缸被锁紧了，同时此时的闸门停止。由于液控单向阀有良好的密封性能，即使在外力作用下，也能使执行元件长期锁紧。3-3 锁紧回路（2） 油泵的空载启动和压力控制回路由三位四通电磁换向阀和溢流阀一起调节系统压力。将一个溢流阀并联于液压泵的出口，该溢流阀可以使液压泵的出口压力恒定，其前提条件是泵的出口压力是由负载（其中包括外负载和各种液阻）的大小决定的。如果泵的出口压力低于溢流阀的调定压力，泵的出口压力就是当前这个低值，此时溢流阀关闭；只有泵的出口压力达到溢流阀的调定压力时，溢流阀打开，且有溢流量，泵的出口压力才是定值。溢流阀在定量泵节流调速回路中起两个作用：以是保证液压泵的出口压力恒定；二是“分流了泵的多余流量。油泵电动机组启动过程如下:液压油先经三位四通阀中位直接流回油箱，延时约10s后，根据所需执行操作动作的需要，使相应的电磁阀得电，系统随即建压。3.2 液压启闭系统的工作原理当液压控制系统接收到闸门开启或关闭信号时,由液压泵站通过各类阀组向液压油缸提供动力油,通过压力油在油缸有杆腔和无杆腔的施压与排放、活塞杆在油缸中的伸缩对闸门实施推力或拉力，从而达到启闭闸门的目的。如图3-4为液压启闭系统工作原理图。78智能控制单元PLC通过控制如图3一4所示的液压启闭机系统中的电磁阀得、失电而实现对整个闸门的操作。在闸门开启过程中，当现地控制级的PLC发出升门信号后，油泵电动机组空载启动，二位二通电磁阀2.1 的电磁铁5DT得电则二位二通电磁阀2.1的油口处于接通状态，它的进油口恰与先导溢流阀的先导阀相连，当先导溢流阀5.1打开，将系统压力调高至系统工作压力，此时泵卸荷。三位四通换向电磁阀7的电磁铁1DT得电平行油路（P-A,B-T）接通，液压油通过油路P-A经过调速阀9和液压锁10进入油缸有杆腔，而无杆腔的油经过换向阀7的B-T油路回到油箱，油缸活塞杆缩回，闸门开启；在闸门下降过程中，三位四通电磁换向阀7的电磁铁2DT得电，液压油通过该阀的交叉油路(P-B,A-T)接通液压油通过油路P-B经过液压锁10进入油缸无杆腔，而有杆腔的油经过液压锁10、调速阀9和换向阀7的A-T油路回到油箱，油缸活塞杆伸出，闸门关闭。3.3 液压启闭系统实现的主要的功能9(1)液压泵电动机组空载卸荷当机械的工作部件短时停止工作时，一般都让液压系统中的液压泵空载运转。在液压泵驱动电动机不频繁启闭的情况下，使液压泵在功率损耗接近于零的情况下运转或输出很小流量的压力油，以减少功率损耗，降低系统发热，延长泵和电机的寿命。 本系统中采用的卸荷回路有: 采用三位阀的卸荷回路 三位换向阀的阀芯在中间位置时各种油口的接通关系不同、这可满足不同的使用要求，这称之为三位阀的中位机能。使用M、H和K型中位机能的三位换向阀处于中位时，泵都卸荷。如图3-4的液压控制系统中三位四通换向阀采用的是H型中位卸荷的。即压力油从定量泵口出来以后，经三位四通换向阀的H中位，直接流回油箱。 用先导式溢滚阀的卸荷回路 在先导式溢流阀5.1的遥控口C接一个二位二通电磁阀2.1。这样组合的功能是：不卸荷时用作设定系统(油泵)主压力；当卸荷状态时，用一个作用于电磁阀的电信号使电磁阀油路有断开转换为接通，压力油直接返回油箱,系统压力为0. 从而实现了遥控远程卸荷。当系统压力达到溢流阀的开启压力时，溢流阀开启，泵卸荷；当系统压力降至溢流阀的关闭压力时，溢流阀关闭，泵向系统加载(2) 闸门锁定及同步 为了提高闸门开度的控制精度，在液压启闭机系统中设置了液压锁与相匹配的三位四通(Y型机能)电磁阀。当闸门运行到指定开度后，通过控制系统使电磁线圈1DT, 2DT均失电，三位四通电磁阀回到中位，液压锁迅速锁紧，闸门可靠地锁定在预定开度，即使在外力作用下闸门也不能下滑。本系统中还在油路上设置了调速阀9，通过调速阀可以调节两只油缸的运动速度，使两只油缸在运动中保持同步。（3）水电站闸门控制系统不仅关系电站的运行生产，而且还维系到当地的生命、财产安全，因而闸门启、闭的可靠性是液压启闭机设计的关键，特别是遇到百年罕见的洪灾时，就显得更为重要了。因而在该液压启闭机系统中设置了由手动泵和手动换向阀组成应急系统，当遇到主控液压动力站系统出现故障时可通过该应急系统保证启闭机正常工作。将手动控制泵和手动换向阀的按钮都安装在现地控制柜上，便于手动控制。另外在该液压系统中的进、回路还设置了截止阀13.1, 13.2和二位二通电磁阀2.2, 2.3，当遇到紧急情况要求闸门迅速关闭时，可通过控制系统使电磁阀2.2, 2.3得电或手动打开截止阀13.1, 13.2，则要进入有杆内的压力油就通过电磁阀2.2，2.3接通的这个通道直接流回了邮箱，故而实现了快速的关闸门。同时若要快速升门，则也可通过截止阀13.4，13.3和单向阀6.3使无杆腔内的压力油快速流回油箱。（4） 纠偏控制10 在闸门开启和关闭过程中,由于两侧受力不完全一致且两侧油缸也不可能完全相同等各种原因，使两侧油缸动作不同步，闸门不能行保持水平地升降，引起闸门卡滞故障，甚至造成事故。因此为保持闸门。左右油缸动作同步，必须设置纠偏功能；为防止闸门卡死现象出现，该液压启闭机系统中不仅在有杆腔进油路上设置了调速阀，而且还在该系统中设置了由电磁阀11和节流阀12.1, 12.2共同组成的纠偏系统其原理是在连接液压缸有杆腔管路上设置一个三位四通电磁换向阀11，其回油口与油箱连通。依据闸门开度检测装置检测到得闸门左右开度偏差值，在闸门启闭运行过程，当闸门的左端高出闸门右端的开度值超过了系统的预定值（即左超），或者闸门的右端高出闸门左端的开度值超过了系统的预定值（即右超）时，根据偏差信号，让闸门的三位四通电磁换向阀11的电磁铁得电，开启电磁换向阀的平行或交叉油路，实现闸门左右端不同油路泄油至油箱，从而调节双缸的相对行程。当双缸偏差达到设定允许值时，关闭电磁换向阀。如此不断地对两侧液压缸的行程进行开关式调整，达到双缸同步的运行要求。例如：在闸门上升过程中出现左超时，说明左端的液压缸提升闸门速度太快，即该液压缸中有杆腔油压过大；则让三位四通电磁换向阀11的电磁铁4DT得电，故此时电磁阀的交叉油路接通，左端的液压缸泄油。现总结如下，无论闸门在上升还是下降过程中，只要闸门左端的开度值大于闸门右端的开度值，且偏差值超过了系统预设值，则接通电磁阀的交叉油路；同理，当闸门右端的开度值大于闸门左端的开度值，且偏差值超过了系统预设值，则接通电磁阀的。（5） 液压启闭机运行状态监视油缸固定机架转轴上安装的接近行程开关装置用于限定闸门的提门、落门极限，反映每个闸门全开全关位置;系统压力、油温通过传感器送入可编程控制器的模拟量输入模块;启门左右缸压力、系统压力、滤油器、油位、电磁阀相关执行器件的状态、故障状态等信号等直接送入PLC的开关量模块;用来实现启闭机运行故障状态监视功能。3.4 本章小结本章结合闸门控制的需要，介绍了液压控制系统组成、控制回路，给出了液压启闭机的系本统原理图，并着重介绍了液压启闭机系统的工作过程（即闸门的提升和下降的实现过程），同时还介绍了本液压控制系统中同步控制功能的实现过程。第四章 信号采集传输 2.1 数据采集单元的实现 2.1.1 闸门开度的采集 闸门的开度是闸门运行管理的最基本的指标之一,只有实时准确的监测到闸门的开度,才能安全地实现闸门的自动启闭控制；闸门开度仪表由编码器和传感器组成。 2.1.1.1 编码器编码器如以信号原理来分，有增量型编码器和绝对型编码器。增量型编码器价格低廉，接口简单，采用计数器计数方式确定相对位置。但检测绝对位置时，则需要提供初始位置的信息，而且容易受干扰的影响，断电数据丢失，数据出错时必须回归原点，所以一般仅用于相对位置的检测；绝对编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16 线。编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。绝对值型编码器一般采用格雷码制，这是因为二进制产生进位时，可能有多个数据位发生变化，由于读取数据时各数据位时序上的差异，可能造成读数错误。而格雷码进位时只有一个数据位发生变化，可减少读数错误。11此在抗电磁干扰能力强，误码率低及输出稳定性高等方面有着较明显的优势 在本闸门控制系统设计中，采用多圈绝对型光电编码器，所谓光电编码器就是一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测；2.1.1.2 闸门开度测量原理1213当闸门做启闭运动时，带动闸门动作的两个油缸各自驱动自己的绝对型光电编码器,将油缸的位移信号转换为格雷码形式的数字量输出，传送给闸门开度仪，通过一定算法间接测量出闸门开度；如下图2-1所示为闸门开度仪与编码器、PLC接线图；图2-1 闸门开度仪与编码器PLC接线图本系统采用闸门开度仪表+绝对型光电编码器测量闸门的实际直线位移;如图所示，多圈绝对型光电编码器与闸门开度仪之间有2条电源线，有时钟线和数据线一共4根（即CLocK+，CLocK一，DATA+，DATA一）；系统中采用的是串行数据传输。串行传输占用较少的数据线；应用最多的是标准RS一422接口和RS一485接口。其中RS一422接口是全双工的工作方式，通讯协议为SSI，它是用于传输编码器的输出数据到控制装置的同步串行接口协议，工作过程为控制模块发送一串时钟脉冲信号，编码器则响应位置数据。并且RS422接口与供电电源是电器隔离的。RS一485接口编码器为半双工的，将编码的数字信号转换成RS一485串行信号输出，这种输出方式一般用于编码器远距离传输，可节省电缆，同编码器数据通过电缆传送给闸门开度仪。（有问题） 图与字叙述的对不上啊（显示）一方面在现地控制屏上显示两个闸门开度,另一方面则采集旋转编码器的数字量输出送入P L C 控制器的开关量输入端，PLC 通过对格雷码的译码获得闸门开度的二进制数字量，再经过PLC 特定的算法程序计算出闸门开度。并输送到远程监控级上位主机进行远方显示。2.1.2 水位采集常用的液位传感器有:旋转编码浮子式传感器(机械式和光电式)、超声波传感器、压力式传感器、磁浮子式传感器等14。其分辨率从毫米级到厘米级不等，测量范围从几十厘米到几十米。首先，从各个水位计基本行能指标，价格方面进行比较 其次，依据不同水位计的工作原理，以及它们的优缺点相比较。（1） 浮子式水位计它是用浮子和平衡锤作为水位的感应部件，通过金属绳带动水位轮变化传递给记录仪，自动记录水位。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。这类传感器输出通常为并行二进制码、串行二进制码和脉冲信号。（2） 压力式水位计它是通过测量水的压力（即测点以上水柱的重力）来推算水位的。较常用的测量水压的方法有电测水位，压力天平测量水压和水压式水位计。故压力式水位计带有变送部分，要将测得的水位信号转换成标准电流信号(4一20mA)。这种水位计的优点是不需要建造测井。安装不受地形限制，室外设施简单，但要求水的比重稳定因此，不适用于水的比重变化的地区。（3） 超声波水位计15这类水位计是通过发射超声波脉冲，根据超声波在空气中的传播速度和接收到水面回波所需的时间来测定所经过的距离而计算水位。它的特点是不需要建造测井，仪器结构简单。但是，由于超声波盲区的影响，因此应用时需要有一定的水深以保证观测精度，再就是泥沙、风浪、水流中漂浮物等都会对超声波有干扰作用，因此不适用于河流多、风浪大、漂浮物多的河流。(4)磁浮子式水位计这类水位计的原理是，当液位变化时，磁浮子将随液位在测杆上滑动，继而引起电路中电阻值的发生变化，检测电路电阻值就可以获得液面位置。水位检测要求精度较高综合上述比较，所以选用压力式水位计测量闸门上下游水位。待添加的隐藏文字内容1第五章 闸门监控系统实现5.1 现地控制系统的实现5.1.1现地控制系统功能 现地控制层系统实现闸门现场控制，具备整个闸控系统中的最高控制优先级。主要的目的是：通过控制液压启闭系统中定量泵，以及相关的压力电磁阀，方向电磁阀等阀组实现对闸门的启闭控制。控制功能包括:闸门的上升、下降、停止；监控功能包括:水位信息、闸位信息、荷重信息；通讯功能包括:水位、闸位、荷重以及现场设备的相关参数实时上传；对闸门的保护功能包括:电机保护、限位保护、手动急停保护等。 （1）基本控制功能每孔闸门的现地层控制系统是一个具有完备控制能力的相对独立的本地控制系统。可实现远程和现地操作方式的切换，并在现地操作方式下，可通过手动方式即每孔闸门在现场都设置一个现场控制柜实现对被控闸门的升/降/停操作。（2）实现信息的采集和监控功能(a)闸位信息 16: 采用高精度的旋转编码器型传感器，实时采集闸位信息，并通过格雷码方式向现场PLC输入高精度的并行编码信息。同时，该闸位信息需在现场实时显示，并上传到集中控制层的上位机中显示。且因为闸位传感器的质量直接关系到闸门控制的准确性，故在本控制系统中，通过价格，性能各方面的比较决定选用德国海德汉公司的ROQ425型绝对型光电编码器,该编码器每一圈的最大分辨率为13位，即最大可区分8192个位置，多圈的圈数为12位，也即最大4096圈可被识别；故量程为8192×4096，输出码为25位格雷码。（输出信号为SSI同步串行信号。最后传送到闸门开度仪；）一方面在现地控制柜的文本显示屏上显示两个闸门开度,另一方面则将旋转编码器输出的格雷送入P L C 控制器的开关量输入端，PLC 通过对格雷码的译码获得闸门开度的二进制数字量，再经过PLC 特定的算法程序计算出闸门开度，这个过程都通过编写”闸门开度采集子程序”并载入从站PLC中完成的。最后将闸门开度输送到远程监控级上位主机进行远方显示。（b）水位信息:选择水库区三个水位进行测量，分别定位在水库的上游（水库大坝坝前）、闸门前的进水口处以及水库下游。系统水位采集时采用的水位传感器是压力式水位变送器，输出信号是420mA电流信号。由于PLC自带有模拟信号输入通道，使得标准电流信号可直接输入PLC中，不需要再扩展AD模块。模拟信号在PLC模拟输入通道中自动完成AD变换。并且在PLC主程序中将采集到得模拟量放到指定的数据块中，根据模拟量转换公式将420mA电流信号转换成相对应的水位实数并显示出来。同时，实时上传到集控层上位机中，采集时间间隔可由上位机操作人员自定。（c）各种现场设备参数:各种现场设备的运行参数或故障参数在现场PLC中处理、分析，在现场人机交互界面上显示，并实时上传到集控中心上位机中显示或报警。(3) 保护功能 (a) 限位保护:在现地闸门控制系统中，使用软硬件限位保护。硬件保护：当闸门正常运行过程中可能出现闸门开度达最大值而的任然开启的这种情况，针对这种情况设置一个行程开关。当PLC检测到行程开关动作后将断开闸门回路，使闸门立即停止开启。同样，当闸门关闭时，也设置一个行程开关。使闸门停止工作。软件保护：采用软件的控制方式，通过旋转编码器传递的数据计算当前闸门所处的位置，并在程序中设定上、下限位置。（b）电机急停保护 在现地三相动力电源进线处加设的断路器，这种断路器带有分励脱扣器，具有智能分励脱扣功能，适用于交流50Hz(或60Hz)，额定工作电压为230/400V，额定电流63A的线路中，对线路进行远距离控制分断或自动信号控制分断，同时对线路起过载和短路保护作用，当线路发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路。在现地手动控制操作无法正常停止闸门电机的运动时，现场操作人员通过现地控制柜上的“急停”开关直接控制断路器断开，即直接切断闸门电机的动力电源。在集中控制层控制时，可由远端控制线路，通过信号线给断路器和智能分励脱扣器极上施加控制电压，即信号电压，当需要远程控制断路器断开时，可以断开信号电压，则将断路器断开。 （c）软件保护:除以上的硬件保护措施外，现场PLC还具有:闸门失速、闸门下滑、上/下越限等软件保护程序。且现地层诊测出的任何故障均需在本地显示并上传至集控中心。 (d) 电磁和防雷保护:每孔闸门的控制设备均置于一个防护控制柜中。整个控制系统采用了专门的防雷和防电磁干扰的措施。 5.1.2现地控制系统硬件实现 根据闸门控制系统中从站PLC要求要有：与上位机较强的实时通讯能力；对于水位，闸位信息等信息有很强的数据处理能力；对采集来的信息要有相当数量的数字或模拟量输入，输出口进行输入输出；对于上位机下达的命令执行速度要快。故从站选择具有：循环周期短、处理速度高;指令集功能强大、可用于复杂功能;产品设计紧凑、可用于空间有限的场合;模块化结构、适合密集安装;有不同档次的CPU、各种功能模块和输入输出模块可